CAPITOLUL I

PARTEA I STUDII DE UZUR I UNGERE LA MOTOARELE CU ARDERE INTERN

1. TIPURI FUNDAMENTALE DE UZARE

1.1. CONSIDERAII GENERALE

Tribologia este tiina care studiaz fenomenele de frecare i uzur ce nsoesc micrile mecanice. Denumirea provine de la: (tribos = frecare) +(logos = tiin).Ca tiin tribologia se desprinde n anii 1950-1960 din disciplina Organe de Maini. A fost denumit Tribologie de TABOR n 1954 i este situat la interferena cu alte tiine, cum ar fi: fizica, chimia, ingineria materialelor, etc.Importana ei rezult din faptul c fenomenul de frecare afecteaz n mod deosebit funcionarea tuturor mainilor i utilajelor. Astfel statisticile arat c prezena frecrilor determin anual un consum suplimentar de energie evaluat la 30-50% din energia produs pe glob. Rezult c reducerea frecrii determin ridicarea eficienei utilajelor, creterea randamentului acestora i, n acelai timp, o important economie energetic.Un alt fenomen care apare, odat cu fenomenul de frecare, l constituie fenomenul de apariie al uzrii. Prin uzare nelegem fenomenul de desprindere de microparticule de material de pe suprafee cu frecare i care, n timp, sunt eliminate n mediu sub form de particule de uzur. Acest fenomen determin modificarea dimensiunilor pieselor i n final conduce la scoaterea lor din uz. nlocuirea acestor piese, deteriorate prin uzare, determin un important consum de materiale.Uzura (rezultatul uzrii) poate fi exprimat n uniti absolute (mas, volum, lungime) sau relative. Prin raportarea la distana parcurs sau la timpul de frecare, se obin mrimile denumite: intensitatea uzrii (mg/km, m/km etc.); viteza uzrii (mg/h, m/h etc.).Cunoaterea acestor fenomene, a cauzelor ce le produc, precum i acionarea asupra acestor cauze n sensul diminurii efectelor negative poate determina importante economii de energie i de materiale, precum i creterea performanelor i a fiabilitii mainilor i utilajelor. La motoarele cu ardere intern, pierderile de energie cu disipri termice diferite au o pondere nsemnat i sunt nsoite de modificri ale strii de suprafa a materialului influennd modul de uzare. La aceste motoare funcionarea este legat de creterea temperaturii i de ali factori dect frecarea, uzarea putnd s se dezvolte n acelai sens cu frecarea sau s se desfoare n sens contrar.n consecin evoluia uzrii sau viteza de zrii are urmtoarele caracteristici: Uzura este cumulativ i crete odat cu creterea lungimii de frecare sau cu durata de frecare fr ca evoluia procesului s fie ntotdeauna liniar. ntre evoluia uzurii i intensitatea de detectare exist o anumit concordan. Dependea dintre intensitatea sau viteza de uzare i sarcina solicitatoare este relativ proporional. n studiul uzrii precum i a evoluiei ei are permanent n vedere situaia tuturor suprafeelor n frecare i nu numai a uneia dintre ele.n general este acceptat clasificarea propus de Barwell privitoare la urmtoarele patru tipuri fundamentale de uzare, care pot aprea att la frecarea uscat ct i n prezena lubrifianilor: uzarea de adeziune; uzarea de abraziune; uzarea de oboseal; uzarea de coroziune.n Tab. 1.1. se indic principalele tipuri de uzare, natura i exemple de cuple de frecare afectate de uzare.Se subliniaz c, practic, tipurile de uzare nu apar de obicei singular, ci asociate: adeziune-abraziune, abraziune-coroziune, oboseal-coroziune etc., sau multiple: adeziune -abraziune- coroziune, adeziune-abraziune-oboseal-coroziune, cum este cazul uzrii prin ciocnire (impact).Tab. 1.1. Principalele tipuri de uzareTipuri de uzare fundamentale i derivateNatura uzriiTipuri de cuple de frecare (organe de maini) afectate

Adeziune Transfer de materialAdeziune moderatAdeziune sever: gripaj incipient, gripaj totalMecanic,metalurgic itermicCele mai multe i variate cuple de frecare:asamblri demontabile, fus-cuzinet, glisiere, ghidaje, piston-cilindru, angrenaje, variatoare, scule achietoare etc.

Abraziune MicroachiereRizare prin deformareEroziune abrazivBrzdareZgriereOrganele active (brzdare, cupe, ciocane) ale mainilor de lucru n mediu abraziv, incintele respective, lanurile de antrenare, cuplele de frecare insuficient protejate (piston-cilindru, lagre cu alunecare, rulmeni, angrenaje) sau supuse direct aciunii abrazive n prezena mediului fluid

Oboseal Oboseal mecanicpitting incipient,distructiv, exfoliereOboseal termo-mecanic: fisuri de oboseal termomecanicMecanic

Termo-mecanicOrganele cu solicitri hertziene ciclice mari n prezena lubrifiantului (angrenaje, rulmeni, uruburi cu bile, cam-tachet, role de lan).Organele solicitate periodic cu frecare uscat sau supuse unui tratament termic defectuos (rol, in bandaj, angrenaje etc.). Tratamente termice defectuoase care produc fisurarea stratului durificat.

Coroziune Coroziune chimicRuginireChimicOrganele de maini supuse aciunii corozive (lagre unse cu acizi) sau n prezena lubrifiantului degradat, a apei (piston-cilindru, lagre cu alunecare, rulmeni); piese neprotejate.

Coroziune galvanic

Ciupire electricElectrochimicCuple de frecare unse i sub aciunea curentului electric (lagre cu alunecare, rulmeni, piston cilindru, angrenaje etc.).Flancurile unor angrenaje, bandaj-cale, contacte electrice supuse aciunii curentului electric.

Coroziune biochimic

TribocoroziuneCoroziune de fretare

Cavitaie

ImpactBiochimicGhidaje i conductele lichidului de ungere-rcire de la maini-unelte.

Mecano-chimicOrgane de maini n prezena lubrifiantului degradat i a forei de frecare (piston-cilindru), ghidaje, lagre etc).Fuzete, rulmeni, caneluri, asamblri filetate etc. supuse coroziunii i unor mici deplasri.

Mecanotermo-chimicSuprafeele unor organe de maini supuse imploziilor de gaze, n ap i ulei (palete de turbine, pompe, elice de nave, lagre cu alunecare, angrenaje etc.).Corpurile de mrunire, unele semicuple, angrenaje.

Cojire

MecanicFlancuri de angrenaje, rulmeni, organe active de mrunire etc.

Deformare la rece(rulare)Suprafeele unor organe de maini supuse (angrenaje, rulmeni, cam+tachet etc.) deformate plastic n urma unor puternice solicitri mecanice.

ncreireFlancuri de angrenaje solicitate i imperfect unse.

Brinelare Ci de rulare la rulmeni, flancuri de angrenaje etc.

InterferenFlancurile unor roi necorijate sau imperfect corijate.

Fisurare de rectificareTermo-mecanicOrgane de maini cu defecte de rectificare (corpuri filetate, angrenaje etc.)

Fisurare de tratamenttermicOrgane de maini cu fisuri n urma tratamentului termic i solicitrile mecanice (angrenaje, role, corpuri filetate.

Deformare la caldTermicSuprafeele unor organe de maini (rulmeni, angrenaje, ghidaje, discuri de frn etc.) deformate plastic datorit nclzirii i solicitrilor mecanice.

Decolorare (ptare)Suprafee supranclzite (cmi de cilindru, flancuri de angrenaje, discuri de frn etc.)

1.2. UZAREA DE ADEZIUNE

Uzarea prin adeziune este o form de uzare ce se caracterizeaz prin viteze de uzare ridicate i prin instabiliti relativ mari ale coeficienilor de frecare. Metalele sunt preponderent supuse la adeziune. n condiii normale de temperatur, presiune i umiditate, adeziunea dintre oricare dou obiecte solide este puin observat din cauza straturilor contaminate de oxigen, ap i ulei. Adeziunea se poate reduce, de asemenea, prin creterea rugozitii suprafeelor sau prin creterea duritii.Uzarea de adeziune este denumit, uneori, ca uzare de "aderen", de "contact" sau "termic" i se manifest, ndeosebi n dou forme principale: Transferul de material de pe o suprafa pe alta, ca urmare a adeziunii moleculare. Aceast form este ndeosebi proprie adeziunii normale sau moderate ("blnde") i conduce de fapt la frecarea dintre materiale de aceeai natur; consecinele sunt uneori nefavorabile datorit unor microjonciuni, gripaje incipiente, ecruisri i abraziune. Formarea i ruperea microsudurilor (sau a punilor de sudur) se manifest n dou moduri, i anume: suduri reci (microjonciuni datorit adeziunilor de temperaturi relativ reduse) i suduri calde (microjonciuni sau jonciuni metalurgice, nsoite de o interaciune i o recristalizare a materialelor). Uzarea poate fi moderat, cnd se produc forfecri fr smulgeri (Fig. 1.1, cazul III; fs< min(f1, f2)).

Fig. 1.1. Forme de uzare de adeziunea - suprafee metalice (I - formarea microjonciunilor; II - smulgerea unei particule; III forfecarea microjonciunii); Adeziunea moderat este de preferat i se obine prin utilizarea unor aditivi de antigripaj care, fie creeaz jonciuni friabile, fie netezesc (corodeaz) asperitile. Particulele de uzur sunt mai mici (100 A0).Un al doilea tip este acela al adeziunii severe, cnd, fie c microjonciunile sau punile de sudur create nu se pot forfeca i cupla se blocheaz (Fig. 1.1, cazul I), realizndu-se gripajul total, fie fs > max(f1, f2) i se produc smulgeri (Fig. 1.1, cazul II), aprnd gripajul incipient sau o suprafa cu ciupituri, urmat de abraziunea datorat particulelor ce se desprind. Acestea sunt n medie de 50 ori mai mare ca la uzura moderat, iar viteza de uzare crete repede, uzarea devenind intensiv. Acest tip de uzare poate s precead griparea total sau uzarea distructiv.Dei teoria microjonciunilor a marcat un progres n analiza fenomenului frecrii, a gripajului i a explicrii uzurii, totui ea a fost certificat ea a fost criticat deoarece nu poate explica complet toate aspectele acestor fenomene, cum ar fi: variaia coeficientului de frecare cu viteza, formarea jonciunilor n prezena oxizilor sau a altor straturi de separare, valoarea relativ redus a coeficientului de frecare n cazul suprafeelor metalice curate, diferene la uzarea n vid i aer, modul de formare a particulelor de uzur sau a transferului de metal.Pentru a da o explicaie mai riguroas i mai apropiat de fenomenele reale care nsoesc acest tip de uzur s-a emis teoria interaciunii atomice, n care caz uzura este condiionat de interaciunea atomic a materialelor celor dou suprafee, astfel intensitatea uzurii nu depinde de numrul ntlnirilor interatomice. Intensitatea uzurii depinde de umrul ntlnirilor interatomice, iar uzura liniar poate fi exprimat prin urmtoarea relaie:h = KcpmLf (1.1.) unde:h nlimea medie a stratului uzat;pm presiunea medie pe suprafaa nominal de contact;

k mrimea posibilitilor formrii particulelor de uzur;pc presiunea la curgere a materialului mai moale;Lf lungimea de alunecare.Din relaia (1.1.) rezult c uzura este direct proporional cu lungimea de alunecare i cu sarcina, i independent de suprafaa aparent de contact.Dac se efectueaz nlocuirea Lf = vt (produsul dintre viteza relativ i timpul respectiv) se obine:h = Kcpm vt (1.2.)ceea ce exprim c nlimea medie a stratului uzat este proporional cu sarcina, vitez i durata procesului. Prin mprirea relaiei (1.1.) cu lungimea de frecare se obine intensitatea uzurii (Ih):Ih = Kcpm (exprimat n m/km)(1.3.)Aceast formul arat c intensitatea uzurii este independent de vitez, fiind dependent numai de sarcin respectiv de presiunea medie. Fig. 1.2. i Fig. 1.3. au fost determinate experimental, indic o proporionalitate dintre uzur i parametrii menionai este confirmat funcie de material i deci poate exista o constant caracteristic a materialului.12x10-4

8

4

00 40 80 100Distana (cm)18 daN5 daN Uzura, cm2

Viteza uzurii, cm2

1,28x10-3

0,96

0, 64

0,32

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0Sarcina total (daN)

Fig. 1.2. Fig. 1.3.Totui valoarea coeficientului de uzare adeziv este practic costant numai p la aproximativ o valoare a presiunii medii egal cu 1/3 HB dup care urmeaz o cretere rapid, terminat cu suduri sau gripaj. Aceast constatare este normal dac inem seama de faptul c la o presiune mai mare se depete limita de curgere a materialului. 32x10-4

24

16

8

00 4 8 12 16 24x103 Presiunea (daN/cm2)HB

3HB

3HB

3Coeficient de uzur adeziv (cm2/daN)

Fig. 1.4. Coeficientul de uzur adeziv funcie de presiune, pentru dou metale

Fig. 1.5. Uzarea de adeziune vzut la microscopO consecin a uzurii de adeziune este griparea, care apare la sarcini mari, n lipsa lubrifiantului sau la strpungerea peliculei n urma unor temperaturi locale ridicate (de exemplu n timpul rodajului). Sub aciunea sarcinii, suprafeele se apropie la o distan de interaciune atomic. Adeziunile, microjociunile puternice ce se creeaz, nu mai pot fi forfecate i deplasarea relativ nceteaz, cupla de frecare fiind blocat.Gripajul poate avea dou forme diferite:I. Griparea la temperaturi joase (griparea atermic), este caracteristic unor viteze reduse de deplasare; apar deformaii plastice ale stratului superficial al suprafeei de frecare. Aceast form se caracterizeaz prin valori mari ale coeficienilor de frecare (pn la 4-6) i fenomenul are o evoluie rapid. II. Griparea la temperaturi nalte (griparea termic) este caracteristic unor viteze mari i apare ca urmare a energiei termice acumulate n zona de contact; coeficientul de frecare este mai mic (0,20,5) iar viteza uzrii mai reduse. Apariia gripajului poate fi nlesnit de un rodaj necorespunztor, jocuri prea mici ntre suprafeele sau de suprafee superfinisate, lipsite de posibilitatea creierii microjonciunilor de ulei, calitatea necorespunztoare a lubrifiantului, depirea unor parametrii funcionali (sarcin, vitez), prezena unei perechi de materiale antagoniste.ba0 Deformaie plastic DaTemperatur Tc

Fig. 1.6. Dependena deformaiei plastic temperatur (pentru gripare)n general n faza de rodaj, griparea poate apare, la o anumit ncrcare sau vitez, ca urmare a energiei termice i mecanice din zona de contact i a regimul termic tranzitoriu. n prezena unor temperaturi ridicate, suprafeele de frecare pot interaciona ca urmare a afinitilor chimice a celor dou materiale antagonice. Schematic, legtura ntre cele dou forme principale de gripare se ilustreaz prin curba abc din Fig. 1.5. La deformaii plastice mari (zona a-b) griparea apare fr modificri importante de temperatur; n absena deformaiilor plastice, griparea apare totui ca urmare a unei valori ridicate a temperaturii. Griparea ncepe prin apariia unor micro smulgeri i zgrieturi mici, care cu creterea sarcinii se mresc. Dat fiind gravitatea defeciunilor i costul reparaiilor, n urma micrii prin gripare, combaterea apariiei acestui tip de uzur constituie o preocupare deosebit. Muli specialiti consider comportarea la gripaj drept criteriu comparativ, a caracteristicilor de ungere a uleiurilor, al unor aditivi sau comportare la frecare a aumitor perechi de materiale. Ipotezele meionate privid apariia gripajului au la baz lubrifiatul neaditivat, ele nu pot fi extinse cu certitudine i n cazul lubrifianilor cu aditivi.Din punct de vedere al temperaturii, gripajul apare atunci cnd acesta a atins o valoare critic ce poate fi temperatura instantanee maxim sau temperatura medie maxim.Criteriul de gripaj bazat pe temperatura instantanee are la baz ipoteza care arat c pentru fiecare combinaie de ulei i material, exist o temperatur critic, constant, la care uleiul i pierde proprietile lubrifiante i nceteaz s mai protejeze suprafeele mpotriva contactului direct. Pe baze experimentale mai recente se pune n concordan temperatura maxim cu alunecarea specific, sarcina, viteza i caracteristicile lubrifiantului.

(1.4.)

(1.5.)

(1.6.)

(1.7.)Pf invariantul lui Prandtl

temperatura maxim de frecare adimensionalRf raza de curbur redusE modul de elasticitate vscozitatea dinamic densitateaa difuzivitatea termic a lubrifiantuluiTc temperatura criticT0 temperatura mediului nconjurtor cupleiPe baza relaiei (1.4.) se poate stabili dac cupla de frecare n condiii date de funcionare se afl sau nu n regimul de gripare.Asupra influenei temperaturii ca factor de gripare a cuplelor de frecare se pot trage urmtoarele concluzii: Att temperatura medie ct i cea instantanee caracterizeaz aspecte particulare ale distrugerii peliculei de lubrifiant i a depirii nivelului energetic de priz al cuplei. Temperatura instantanee, dei acioneaz n timpi foarte scuri (de ordinul 10-410-3 secunde) are efecte mai ales asupra cuplelor de frecare cu funcionare n ulei mineral neaditivat i cu rugoziti apreciabile ca mrime. Temperatura instantanee poate fi folosit ca un criteriu de gripaj numai pentru uleiurile minerale neaditivate care i pstreaz proprietile n timpul funcionrii. Temperatura medie critic constituie elementul principal n modificarea energiei interne a lubrifiantului i distrugerea peliculei chimice absorbite. ntre temperatura instantanee i cea medie exist o legtur indirect, mijlocirea fiind fcut de geometria i materialul cuplului de frecare, lubrifiant i de condiiile de exploatare (sarcin, vitez).n practic ntreaga gam de forme ale uzrii de adeziune se poate manifesta la diferite organe de maini de larg rspndire. De exemplu lagrele cu alunecare afectate de uzarea de adeziune pot fi la rndul lor, de diferite tipuri (cu frecare uscat, mixt i chiar H.D. n cazul lagrelor motoarelor diesel), de asemenea cuplele pisto-cilindru pot fi ale unor motoare cu ardere intern.n literatura de specialitate occidental (norme AGMA) exist denumirea SCORING pentru o uzur de natur adeziv (uneori asociat cu abraziv) care apare de exemplu pe flancul roilor dinate, dar care nu blocheaz angrenajul. De asemenea n S.U.A. termenul de SCORING este sinonim cu scuffing (SCUFFING). Mai este posibil i denumirea galling (GALLING) pentru o form mai sever de SCUFFING.

1.3. UZAREA DE ABRAZIUNE

Uzarea de abraziune este un proces de natur mecanic cu formele indicate n Tab. 1.1 i se manifest prin uzarea suprafeelor mai moi de ctre particulele mai dure sau de ctre rugozitile suprafeei mai dure.Particulele mai dure pot proveni din mediul exterior cuplei (praf, nisip etc.) sau de nsi particulele de uzur desprinse n procesul de adeziune sau de oboseal.Abraziunea se poate produce prin: microachiere de ctre prile ascuite ale particulei dure sau asperitilor; prin rupere ca urmare a convergenei fisurilor; prin oboseal ca urmare a deformaiilor plastice repetate; prin smulgerea grunilor duri din material.n Fig. 1.6. a, b, c, d, e, f, g se exemplific principalele forme ale uzrii de abraziune.Apariia uneia sau alteia dintre aceste forme depinde, n special, de raportul duritilor suprafeelor n contact sau de raportul duritii particulei abrazive i a suprafeei i de presiunea real de contact dintre suprafeele conjugate.Uzarea de abraziune se manifest nsoit de alte tipuri. De exemplu, n cuzineii lagrelor, mpreun cu sau ca urmare a uzrii de adeziune; n cilindrii motoarelor cu ardere intern, mpreun cu uzarea de coroziune (pe care o activeaz), de adeziune i oboseal; la malaxoarele de prelucrare a materialelor plastice, mpreun cu uzarea de coroziune i adeziune; la distrugerea unor etanri din industria chimic prin aciunea abraziv a produselor uzrii de coroziune etc. Abraziunea este produs n urma impactului unei particule dure (Fig. 1.6. c) n prezena sau n absena unui mediu fluid, rezultnd eroziunea.Microachierea se poate explica prin dou mecanisme de apariie: ruperea materialului prin forfecare n planul cu deformaiile plastice maxime; formarea unor fulgi de material prin brzdare. Prezena lubrifiantului este un factor care stimuleaz microachierea prin particule abrazive. Cnd exist lubrifiant, achierea apare la penetraii mai mici ale particulei abrazive n material dect atunci cnd nu exist lubrifiant. Aceast observaie implic faptul c atunci cnd o particul abraziv este fixat rigid ntr-o suprafa moale, n prezena lubrifiantului i a ncrcrii, particula va accelera procesul de uzare.Muchiile particulei pot provoca achii sau deformaii plastice care nu conduc la forfecri ale materialului. Particulele abrazive noi, obinute prin spargerea altora mai mari sau prin detaarea ca particule de uzare din materiale fragile, conin mai multe muchii microachietoare. La deplasarea particulei apar deformaii plastice considerabile care conduc la ecruisarea (durificarea) materialului, ca urmare se reduce intensitatea de uzare i se rotunjesc muchiile particulei. Acest proces este schematizat n Fig. 1.7.

Fig. 1.7. Uzare de abraziunea) prin particul dur (3); b) rugozitate dur a suprafeei 1;c) eroziune provocat de particula 1; d) abraziune n cazul unui polimer/metal; e) rupere;f) oboseal prin deformare repetat; g) detaare de gruni.

Fig. 1.8. Deformaia suprafeei la trecerea particulei abraziveRuperea a fost evideniat la materialele fragile (casante) prin studiul generrii fisurilor din stratul superficial al unui material transparent de ctre un penetrator ascuit, aa cum se observ n fig.1.8.

Fig.1.9. Generarea fisurilor n materiale fragile de ctre un penetrator rigid

Pentru materialele fragile, ruperea sub penetrator se realizeaz n trei moduri, astfel: la o anumit for, fisurile se propag la circa 30o fa de suprafa; la o alt for mai mare se localizeaz o fragmentare a materialului fisurat; la o for critic, fisura se dezvolt central n adncime. Deplasarea succesiv a particulelor pe suprafa conduce la acumularea fisurilor i ca urmare la desprinderea materialului sub forma unor microfragmente. Oboseala materialului apare n zona deformat de ctre particula dur. Ca exemplu se consider a fi cazul n care deformarea lateral a materialului este repetat. n Fig. 1.10. se prezint o seciune transversal prin zona de trecere a particulei abrazive. Oboseala conduce la intensiti reduse i medii de uzare. Brzdarea reprezint o form sever de abraziune, cu rizuri late i adnci, care poate fi produs direct de contrapies (la angrenaje, capul dintelui), de particule mai dure, interpuse (de exemplu, la discurile de frn), de piese metalice i alte materiale dure (la organele active de lucru ale solului). Zgrierea este forma cea mai blnd de abraziune i se manifest prin rizuri liniare, aralele, izolate etc.; poate aprea pe diferite piese (flancurile dinilor unui angrenaj, cuzinetul unui lagr, cmaa unui cilindru etc.), fiind produs tot de interpunerea unor particule mai dure, aciunea unor rugoziti etc.

Fig. 1.10. Deformarea lateral a materialului de ctre particula abrazivUzarea de abraziune este provocat de prezena particulelor dure ntre suprafeele de contact, sau de asperitile mai dure ale uneia din suprafeele de contact; uzura este uor de recunoscut prin urmele disperse sau orientate de microachiere, ea accelereaz uzarea prin coroziune.Particulele dure pot proveni prin forfecarea prealabil a unor jonciuni (uzare de adeziune), desprinderi de poriuni din stratul de suprafa mai dur (uzare de oboseal sau tratament defectuos), prin desprinderea i evacuarea materialului unor ciupituri (pitting), precum i prin produsele metalice ale uzrii de coroziune, cavitaie.Brzdarea reprezint o form sever de abraziune, cu rizuri late i adnci, care poate fi produs direct de contrapies (la angrenaje, capul dintelui), de particule mai dure, interpuse (de exemplu, la discurile de frn), de piese metalice i alte materiale dure. Zgrierea este forma cea mai blnd de abraziune i se manifest prin rizuri liniare, paralele, izolate. Poate aprea pe diferite piese (flancurile dinilor unui angrenaj, cuzinetul unui lagr, cmaa unui cilindru etc.), fiind produs tot de interpunerea unor particule mai dure, aciunea unor rugoziti etc.Uzarea de abraziune este un fenomen complex, condiia necesar apariiei uzurii abrazive este diferena de duritate; ea poate fi totui produs pe o suprafa de duritate mai mare n urma frecrii cu o suprafa mai moale, dac intervine transferul de metal. De exemplu, la cupla de frecare Bz/OL, transferul de bronz i apoi ruperea suprafeei respective durificate poate uza prin abraziune suprafaa de oel.Cercetrile experimentale i investigaiile teoretice efectuate de M. Hrusciov i M. Babicev dovedesc c legea de baz a intensitii uzrii lineare a unei suprafee la uzarea abraziv este:

(1.8.)unde: pm presiunea medie, HB duritatea, K constat care este funcie de ascuimea abrazivului, pentru metale (de la Pb la W) are valori ntre 2,810-2 410-2 pentru particulele abrazive rotunjite (0,001), iar pentru glaspapier i mirghel (0,010,1). valoarea lui K la uzarea abraziv este mai mare dect la uzarea adeziv. Este mai mare probabilitatea producerii uzurii prin achiere dect prin adeziune, dac rugozitile sunt abrazive; totodat este mai mare volumul de material uzat, respectiv intensitatea uzrii prin abraziune.Rugozitile suprafeei mai dure, caracterizate prin parametrii curbei de portan Abbott-Firstone , b, nlimea maxim Rmax i raza de curbur r, brzdeaz prin microachiere suprafaa mai puin dur, caracterizat prin modulul de elasticitate E , coeficientul lui Poisson p , rezistena de curgere pc i duritatea HB. n condiiile aceluiai drum de frecare i aceleiai presiuni nominale de contact, grosimea stratului uzat depinde de duritatea suprafeei de frecare. Lund ca etalon o epruvet din aliaj pe baz de plumb i cositor, M. Hrusciov i M. Babicev deduc, experimental, dependena rezistenei relative la uzare: Ruz = he/h, he - grosimea stratului uzat al epruvetei etalon (h - grosimea stratului uzat al unei epruvete din materiale diferite) de duritatea suprafeei. n Fig. 1.10. a, b, c, d se ilustreaz aceast dependen pentru diferite metale pure (Fig. 1.10. a), minerale (Fig. 1.10. b), oeluri tratate termic (Fig. 1.10. c) i aliaje durificate prin roluire (Fig. 1.10. d).

Fig. 1.11. Dependena rezistenei relative la uzare de duritate pentru diferite metale pure (a), minerale (b), oeluri tratate termic (c) i aliaje durificate prin roluire (d)

6

27

Fig. 1.12. Uzura de abraziune

Pe baza unui numr mare de determinri experimentale s-au pus n eviden existena unei corelaii dintre rezistena materialelor la uzarea de abraziune (Rn) i duritatea suprafeei respective. (uzura relativ) exprim raportul dintre uzura liniar a materialului sau aliajului respectiv i uzarea liniar a unui etalon (aliaj Sn Pb care conine i stibiu).Pentru oelurile clite n ulei sau aer i revenite la diferite temperaturi, dependena este liniar:Rn = Rn0 + Ci(HB HB0) (1.9.)unde:Rn rezistena la uzare n stare recoapt;HB0 duritatea metalului sau aliajului n stare recoapt;Ci coeficient al oelului ncercat.

1.4. UZAREA DE OBOSEAL

Acest tip de uzare se produce n urma unor solicitri ciclice a suprafeelor n contact, urmate de deformaii plastice n reeaua atomic a stratului superficial, de fisuri, ciupituri sau exfolieri. Admiterea uzurii, prin oboseal, a efectului de uzare n urma mai multor treceri, ciocniri etc., constituie un nou pas n elucidarea fenomenului complex al uzrii. n general aceste uzuri apar sub form de desprinderi de particule din material, lsnd urme caracteristice fiecrui gen de asemenea uzur. Originea lor poate fi gsit n modificrile de structur a straturilor superficiale pe o adncime de cteva zeci de microni, produse de energia de deformare a acestor straturi. Forme ale uzurii de oboseal sunt: pittingul, exfolierea, cavitaia.1.4.1. UZAREA PRIN PITTING

Pittigul este o form a uzurii de oboseal a suprafeelor unor cuple de frecare cu contacte punctiforme sau liniare de exemplu cile de rulare a lagrelor de rostogolire, n deosebi n cazul duritii HB< 350. Se recunoate sub forma caracteristic de gropie, ciupituri diferite de cele de adeziune provocate prin smulgeri. n general se admite c distrugerea suprafeei de frecare prin oboseal este produs de starea de tensiune variabil a unor contacte punctiforme sau liniare de rostogolire, alunecare sau asociate. mpreun cu ciupiturile de oboseal pot fi produse, n unele cazuri i smulgeri prin adeziune local. Astfel uzarea de pitting este nsoit de uzarea adeziv i de uzarea de abraziune produse de precedentele.Domeniile frecvente de apariie sunt flancurile roilor dinate, cile i corpurile de rulare ale lagrelor de rostogolire, cuplele cam tachet, uruburile cu bile, cile de rulare i bandajele roilor de cale ferat n prezena umezelii.

Fig. 1.13. Uzura prin pitting

Fig. 1.14. Uzura prin pitting vzut la microscopPittingul poate rmne sub form incipient mici pori, vrf de ac i care pot sista n funcionare, sau poate s se prezinte sub forme mai grave pittingul progresiv.Originea i poziia fisurii este determinat i de poziia efortului maxim de forfecare i schimbarea acestuia ca mrime i poziie de frecare precum i a poziiei lubrifiantului la presiuni mari. Astfel n cazul materialelor ductile, fisura se produce n substratul superficial, n zona efortului alternativ maxim de forfecare, n cazul materialelor dure i fragile, care rezist bine la compresiune i forfecare acolo unde eforturile de tensiune sunt maxime.

1.4.2. UZAREA PRIN EXFOLIERE

Uzarea prin exfoliere se produce n condiiile deformrii plastice i a forei tangeniale de traciune (frecare) n cazul unui contact de alunecare, se deformeaz stratul de sub urma de uzur generndu-se dislocaii i goluri. Cnd sunt prezente particule dure (incluziuni i particule mari precipitate) se mrete formarea de goluri. Dac deformarea continu, golurile se unesc, fie prin cretere fie prin aciunea de forfecare a materialului mprejurul particulelor dure; rezult o fisur paralel cu suprafaa de frecare. Cnd fisura ajunge la o lungime critic, se foarfec materialul dintre fisur i suprafa, rezultnd o particul de uzur ca un solzi, lungimea critic a fisurii este dependent de material.

Fig. 1.15. Uzura prin exfoliereSunt dou tipuri de exfoliere i anume: exfolierea metalului de pe o suprafa n urma unei forfecri produse de o jonciune tare, creat prin contactul unor asperiti; exfolierea apare n urma unui proces cumulativ, metalul fiind forfecat n mic parte la fiecare trecere a asperitilor, dar desprinderea are loc numai dup ce a trecut un numr mare de asperiti peste fiecare punct al suprafeei respective.Se presupune c metalul de pe suprafeele de frecare de alunecare se uzeaz strat cu strat, dar c fiecare strat const din mai muli solzi. Viteza de producere a golurilor este mic n metalele fr incluziuni; la fel i viteza uzurii, chiar cnd metalele au o duritate mic.

1.4.3. UZAREA PRIN CAVITAIE

Este definit ca fiind un proces de distrugere a suprafeei produse de mediul lichid sau gazos fr prezena celei de a doua suprafee de frecare ca n cazurile obinuite. Se mai numete i eroziune de cavitaie i se produce de regul, pe suprafeele paletelor, rotoarelor de pomp, cilindrii motoarelor Diesel etc. care sunt n contact cu fluide la viteze mari.

Fig. 1.16. Uzura prin cavitaien general uzura prin cavitaie se explic astfel: la micrile relative mari sau la schimbri de vitez dintre un lichid i metal, presiunile locale devin reduse, se produce transformarea de energie n fluid, temperatura fluidului depete temperatura de fierbere i se formeaz mici pungi de vapori i gaze. Cnd presiunea revine la normal se produce o implozie cu fore mari de impact pe microzonele suprafeei metalice, oboseala straturilor i producerea de ciupituri de cavitaie. Este vorba de o aciune pur mecanic, dar este posibil s fie conjugat i cu un proces de coroziune.Intensitatea uzurii de cavitaie este dat de relaia:Iu = Avn (1.10.)unde: v viteza venei de fluid; A coeficient 4,05 10; n indice funcie de viteza fluidului 1 2,5.Pentru reducerea cavitaiei se durific suprafeele sau la placarea oelurilor cu Cr, sau Cr-Ni.1.5. UZAREA DE COROZIUNE

Aceast coroziune constituie deteriorarea suprafeei de frecare i deci pierderea de material, de greutate, datorit aciunii simultane sau succesive a factorilor chimici agresivi din componena mediului respectiv i a solicitrilor mecanice. Mecanismul uzurii de coroziune presupune corelarea a dou efecte de coroziune: coroziunea chimic i mecano-chimic.Cupla de frecare fiind supus simultan att unor solicitri mecanice ct i unor solicitri de natur chimic a complicat i mai mult explicarea fenomenului complex al uzurii. Uzarea se produce de fapt prin nlturarea produilor de coroziune (uzura) care au luat natere pe suprafaa de frecare, att n perioada de repaus (coroziune chimic) ct i n timpul funcionrii (coroziune mecano-chimic). Rezult c procesul uzurii chimice se desfoar n dou faze: formarea produilor de reacie pe cale chimic i mecano-chimic; ndeprtarea acestor produi de pe suprafaa de frecare pe cale tribo-mecanic.COROZIUNEA CHIMIC constituie o parte a uzurii de coroziune cnd se refer, concret, la suprafaa de frecare. Aciunea chimic a mediului ambiant al cuplei de frecare este o aciune continu dei instalaia sau maina respectiv poate funciona numai la anumite perioade. Coroziunea poate evolua diferit n funcie de material i de parametrii fizico-chimici respectivi.UzareTimpUzareTimp

a bFig. 1.17. Evoluia coroziunii unei suprafee metalicea parabolic; b liniar

Evoluia parabolic Fig. 1.17. a indic formarea unor straturi de reacie aderente cu caracter de protecie. Prin solicitrile mecanice este influenat direct deteriorarea acestor straturi de suprafa, accelernd coroziunea i uzura.Evoluia liniar Fig. 1.17. b se refer la suprafeele metalelor la care stratul de reacie nu ofer substratului respectiv protecia necesar n condiii de repaus. Din cauza lipsei de aderen, a solubilitii unor produi de reacie, viteza procesului de coroziune se menine constant. n funcionare, solicitrile mecanice influeneaz n acest caz direct i indirect corodarea suprafeei de frecare, prin modificri structurale, eforturi unitare de compresiune i de forfecare, degradarea lubrifiatului etc. De fapt coroziunea, ca proces pur chimic acioneaz numai asupra suprafeelor care nu trec prin zona de contact i a restului suprafeelor nencrcate, n perioada de repaus.Ruginirea este o form a coroziunii electrochimice a fierului i se datoreaz aciunii combinate a oxigenului i a apei. Procesul de ruginire are o reprezentare liniar, spre deosebire de oxidare care poate s apar n aer la temperatur normal i are o reprezentare parabolic.Coroziunea n mediul lubrifiant este ndeosebi de natur electrochimic. Efectele corozive puternice apar ndeosebi n cazul prezenei n lubrifiani a unor mici cantiti de ap, care n contact cu suprafaa cuplei de frecare formeaz microcelule electrolitice. Corozivitatea lubrifianilor se poate datora i sulfului provenit din uleiul de baz sau combustibil.COROZIUNEA MECANOCHIMIC (tribochimic) este mai interesat din punct de vedere tribologic, referndu-se la modificrile suferite de suprafaa de frecare n timpul funcionrii cuplei. Dup natura solicitrilor mecanice pot fi urmtoarele subclase: coroziunea de tensionare; coroziunea de oboseal; coroziunea tribochimic propriu-zis.Pe baza unor cercetri mai recente i deosebit de ample se pot formula urmtoarele concluzii privind uzarea la coroziune: n condiiile prezenei sarcinii i a forei de frecare sunt posibile i reacii chimice puin probabile din punct de vedere termic; vitezele reaciilor chimice n condiiile funcionrii cuplei de frecare sunt cu cel puin cu un ordin mai mari dect cele care au loc n repaus.Prin aciunea combinat a factorului mecanic i chimic, are loc creterea uzurii i scderea accentuat a rezistenei la oboseal, dup cum se vede pe Fig. 1.18.log ncncercare la oboseal n prezena agenilor corozivi

Limita de obosealncercare la oboseal n absena agenilor corozivilog ncncercare la oboseal n prezena agenilor corozivi

Limita de obosealncercare la oboseal n absena agenilor corozivi

Fig. 1. 18. Curba de oboseal n absena i prezena agenilor coroziviStratul de protecie creat iniial, ajuns la o anumit grosime se rupe i se reface Fig. 1.19. Uzarea suprafeei metalice evolueaz aleator Fig. 1.20. prin suprapunerea efectelor uzurii mecanice cu a celor a coroziunii tribochimice.Grosimea minim a filmuluipentru apariia ruperiitimpGrosimea filmului de oxidTotal metal trasformat n oxidtimpViteza de uzare medie

Fig. 1.19. Producerea i ruperea filmului de oxid

Fig. 1.20. Uzarea suprafeei metalice

Fig. 1.21. Uzarea prin coroziuneUzura de coroziune are un caracter discontinuu; ea este declanat de concentrarea unor cantiti mai mari de energie pe microzonele de contact, care sunt distribuite static pe suprafaa de frecare.COROZIUNEA TRIBOCHIMIC N PREZENA LUBRIFIANILOR. Starea suprafeei de frecare constituie un factor deosebit de important pentru evoluia fenomenelor de coroziune. Prin starea suprafeei se nelege nu numai rugozitatea ci i compoziia chimic i structura metalografic la suprafa. Procesul de coroziune produce modificri ale strii suprafeei prin mrirea rugozitii, modificarea compoziiei procentuale prin dizolvarea selectiv a componenilor, acumularea produilor de coroziune etc.n cazul lagrelor de alunecare cu funcionare n regim hidrodinamic se poate produce atacul corosiv al unor lubrifiani necorespunztori asupra unor componeni din structura lagrului (Pb, In, Cd, Ag, Sn), situaie care nrutete funcionarea prin tendine de gripare. Produsele atacului corosiv se transform n uzur liber datorit frecrilor puternice la pornire i la oprire. Uleiurile de baz insuficient rafinate pot conine aditivi chimici naturali cu efect antagonist asupra aditivilor sintetici adugai ulterior (aditivi de extrem presiune i de antiuzur). Majoritatea aditivilor naturali sunt ageni corozivi care reacioneaz chimic cu suprafaa metalului, att n repaus ct i n funcionare.Reaciile tribochimice au un efect defavorabil asupra stabilitii lubrifianilor, viteza lor de mbtrnire crescnd n timpul funcionrii. Pentru a micora sporirea coroziunii lubrifiatului datorit degradrii, se utilizeaz aditivi de antioxidare.Prezena apei n lubrifiant mrete viteza uzurii de coroziune n condiiile tribochimice. Este posibil creterea uzurii de coroziune prin utilizarea unor aditivi de extrem presiune i de antiuzur, s conduc n general la micorarea uzurii totale, efect ce se urmrete; folosirea unor aditivi ecorespunztor condiiilor de lucru poate produce mrirea ponderii uzurii de coroziune astfel nct viteza acesteia s depeasc viteza celeilalte forme de uzur; acest efect negativ trebuie nlturat prin alegerea cu atenie a aditivilor.